CC BY
81
М.М. Башаров, А.Г. Лаптев
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФЕНОЛА
В статье рассмотрены энергосберегающие научно-технические решения по модернизации колонного оборудования в производстве фенола. Представлены результаты модернизации ректификационной колонны выделения фенола и абсорбера очистки абгазов от изопропилбензола с использованием высокоэффективных насадочных контактных устройств «Инжехим». После внедрения данных насадок повышено качество фенола и значительно снижены энергозатраты на ректификацию и очистку абгазов.
Ключевые слова: энергосбережение, выделение фенола, очистка абгазов.
Введение. Энергосбережение в нефтехимии и других отраслях промышленности становится все более актуальным направлением. В последнее десятилетие многие промышленные предприятия выполняют модернизацию или замену оборудования для повышения продукции и снижения энергозатрат.
Фенол является одним из основных и крупнотоннажных продуктов промышленности основного органического и нефтехимического синтеза и применяется во многих отраслях промышленности - химической, нефтехимической, фармацевтической, парфюмерной. На основе фенола производятся многочисленные красители, искусственные смолы, дубильные вещества, гербициды, дезинфицирующие средства, лекарственные препараты [1].
Наибольшие количества фенола используются для получения фе-нол-формальдегидных смол, которые применяются в производстве фенопластов. Большие количества фенола перерабатывают в циклогексанол, который необходим для промышленности синтетического волокна. Потребности химической промышленности, а также ряда других отраслей в фенолах непрерывно возрастают и становятся все более разнообразными. Остродефицитными стали не только фенол, но и крезолы, ксиленолы и многие другие фенолы, включая двухатомные и многоядерные. При этом возросла ценность индивидуальных продуктов, повысились требования к их чистоте и содержанию отдельных примесей в фенолах [2].
На ОАО «Казаньоргсинтез» поставлена задача увеличения производительности ректификационных установок получения фенола и ацетона с повышением качества разделения. Действующие в настоящее время ректификационные установки проектировались в конце 1950-х годов и вводились в эксплуатацию в 1963 году. Это были первые установки на ОАО «Казаньоргсинтез» [3; 4]. За прошедшие годы объединение непрерывно
развивалось и практически каждый год вводились новые мощности по выпуску новых видов химической продукции. Установки, запущенные в эксплуатацию в 60-70 годах прошлого века, за последние десятилетия активно модернизируются с целью повышения производительности, снижения энергозатрат и улучшения качества продукции [5-7].
Модернизация ректификационной колонны. Ректификационные колонны получения фенола и ацетона устарели физически и морально, поэтому рассмотрена задача проектирования новых колонн с использованием современных контактных устройств. Действующая до модернизации ректификационная колонна К-48 диаметром 2200 мм предназначена для получения товарного фенола. Исходная смесь при температуре 130-140°С поступает в колонну К-48 и содержит фенол, ацетофенон, изопропилбензол, окись мезитила и другие легкие и тяжелые примеси. Сконденсированная в конденсаторе паровая фаза верха колонны К-48 стекает в сборник. Часть жидкости из сборника возвращается в колонну в виде флегмы, а избыток по уровню во флегмовой емкости отбирается в качестве верхнего продукта головного погона. Температура верха колонны не ниже 100°С, давление верха не более 50-70 мм рт. ст. (абсолютное), температура куба не более 140°С. Для снижения легких компонентов отбор товарного фенола производится боковым продуктом выше ввода питания [8].
Технические требования к проектируемой колонне К-48 были предъявлены следующие: расход питания - 200^12000 кг/час; компоненты и процентный состав: окись мезитила - 0,0001-0,001; вода - 0,01-0,025; изопропилбензол - 0,0001-0,0004; альфаметилстирол - 0,0001-0,0009; 2-метилбензофуран -0,001-0,004; фенол - 99,0-99,5; ацетофенон - 0,1-0,6; диметилфенилкарбинол - 0,01-0,06; смолы - 0-0,09.
Требования к качеству продуктов разделения: содержание ацетофе-нона в боковом отборе не выше 10 ппм; содержание фенола в кубе не более 90% масс. В качестве варианта замены К-48 рассмотрен насадочный вариант новой колонны с высокоэффективными насадками «Инжехим» [8]. По результатам технологического расчета выбран режим работы колонны К-48, позволяющий получить требуемое качество продуктов разделения.
Проведено математическое моделирование гидродинамических режимов работы слоя насадки колонны К-48 с использованием разработанных алгоритмов. В результате расчетов установлено, что скорость пара в колонне не превышает 5,8 м/с, а фактор пара изменяется в пределах 2,07-^2,86 при нагрузке по питанию 12.000 кг/ч. Перепад давления слоя
насадки общей высотой 26,5 м не превышает 53 мм рт. ст. В качестве насадки в колонне К-48 использована регулярная рулонная насадка «Инже-хим» (рис. 1), которая размещается по колонне тремя слоями (секциями) общей высотой 18 м.
Промышленная эксплуатация подтвердила правильность выбранных научно-технических решений. Повысилось качество фенола, производительность установки и снизились энергозатраты на единицу продукции на 40% на процесс ректификации по сравнению со старой колонной.
Рис. 1. Регулярная рулонная насадка «Инжехим»
Модернизация абсорбера очистки абгазов от кумола. Одной из наиболее актуальных проблем обеспечения экологической безопасности современных производств является защита воздушной среды от загрязнения органическими выбросами. Такие выбросы создают большинство промышленных источников, на которых для решения этой проблемы функционируют системы газоочистки, нейтрализующие вредные вещества. При этом энергопотребление этими системами составляет более 30% от общего энергопотребления всем предприятием [9].
В России синтетический фенол производится исключительно ку-мольным способом, который сопровождается образованием ацетона и побочных продуктов. Побочным продуктом процесса окисления ИНЬ (изо-пропилбензола) в его гидропероксид при производстве фенола и ацетона являются абгазы окисления (отработанный воздух), содержащие в своем составе азот, кислород, изопропилбензол, муравьиную кислоту. Изопро-пилбензол - кукмол является сильным атмосферным загрязнителем, поэтому абгазы окисления перед выбросом в атмосферу должны быть очи-
щены до норм ПДК (ПДК=175 мг/м ). Проблема комплексной очистки отходящих абгазов от токсичных компонентов стоит особенно остро. Поэтому разработана энергосберегающая высокоэффективная технологическая схему очистки абгазов от ИПБ в производстве фенола. В настоящее время существует 5 основных методов удаления газообразных загрязнителей: сжигание горючих загрязнений, конденсация, химическая обработка, абсорбция, адсорбция [10].
На ОАО «Казаньоргсинтез» для очистки абгаза по проекту предусмотрена двухступенчатая схема абсорбции в колонне с двумя секциями и доочистка абгаза в четырех адсорберах. Нижняя секция абсорбера предназначена для очистки абгаза от кислот водным раствором щелочи. По проекту тарелки колпачковые. Верхняя секция абсорбера предназначена для очистки абгаза от ИПБ полиалкилбензолом (ПАБ). Достоинствами метода абсорбции кумола полиалкилбензолом является то, что ПАБ образуются в цехах в процессе алкилирования бензола пропиленом, а также то, что использование этого метода позволяет вернуть в технологический процесс кумол и ПАБ. Абгаз после очистки в секциях абсорбера поступает в адсорберы, из которых три адсорбера находятся в работе, а один аппарат останавливается на регенерацию адсорбента. Регенерация адсорбента включает три стадии: десорбция водяным паром; сушка горячим воздухом; охлаждение холодным воздухом.
Выполненные расчеты гидродинамических режимов работы тарелок абсорбера показали повышенное гидравлическое сопротивление, высокий унос жидкой фазы с колпачковых тарелок и относительно невысокую эффективность разделения. В результате для повышения эффективности и снижения затрат энергии в технологической схеме очистки абгазов от изопропилбензола предложены изменения. Снижение расхода энергии возможно при использовании высокоэффективной насадки «Инжехим» взамен колпачковых тарелок в абсорбере. Это позволит с минимальными затратами на существующем типовом оборудовании глубоко очищать аб-газы от кумола, значительно снизить расход электроэнергии и расход водяного пара за счет исключения из схемы адсорберов и необходимости регенерации адсорберов.
В верхней секции предложено использовать сегментную регулярную насадку (рис. 1). В нижней секции абсорбера предложено использовать нерегулярную насадку «Инжехим 2002» (рис. 2). Элемент насадки образован изогнутыми полосами, смещенными относительно друг друга.
Края насадки изогнуты для исключения плотного прилегания отдельных элементов друг к другу. Жидкость, омывающая элементы насадки, сходит преимущественно с них в виде пленки. Пленочный характер стока жидкости с элементов насадки обеспечивает высокие массообменные характеристики насадки при минимальном значении уноса и способствует снижению гидравлического сопротивления.
Рис. 2. Нерегулярная насадка «Инжехим 2002»
Расчеты абсорбера с насадочными элементами показывают, что эффективность разделения (очистки газов) повышается на 25-30% по сравнению с колпачковыми тарелками. Г идравлическое сопротивление абсорбера снижается более чем в три раза. Повышение эффективности абсорбера позволяет исключить вторую стадию очистки абгазов в адсорберах, что дает значительный экономический эффект.
В результате предложена одностадийная энергосберегающая технологическая схема и выбрано аппаратурное оформление с новыми насадками взамен колпачковым тарелкам очистки абгазов. Энергосбережение заключается в исключении второй стадии очистки абгаза в адсорберах за счет повышения его эффективности с использованием новых насадочных контактных устройств. При этом достигается экономия водяного пара (который использовался бы для регенерации адсорбентов, в количестве 1357 т/год), что составляет 958 Гкал/год, и экономия электроэнергии 160.789 кВт-ч/год.
Источники
1. Нуртдинов С.Х. Фенол. Свойства. применение. Методы получения: Учеб. пособие / С.Х. Нур-тдинов, Р.Б. Султанова, Р.А. Фаррутдинова. Казань: КГТУ, 2005.
2. Харлампович Г.Д. Фенолы / Г.Д. Харлампович, Ю.В. Чиркин. М.: Химия, 1974.
3. Кудряшов В.Н. ОАО «Казаньоргсинтез»: вчера, сегодня, завтра / В.Н. Кудряшов // «Передовые технологии и перспективы развития ОАО «Казаньоргсинтез»»: междунар. юбилейная науч.-практ. конф. Казань, 2008. С. 9-11.
4. Кудряшов В.Н. Основные направления развития ОАО «Казаньоргсинтез» / В.Н. Кудряшов // Сб. трудов Юбилейной науч.-практ. конф., посвященной 40-летию ОАО «Казаньоргсинтез». Казань, 2003. С. 3-10.
5. Фарахов М.И. Насадочные контактные устройства для массообменных колонн / М.И. Фарахов,
A.Г. Лаптев, Н.Г. Минеев // Химическая техника. 2009. № 2. С. 4-5.
6. Лаптев А.Г. Совместные научно-технические разработки инженерно-внедренческого центра «Инжехим» с ОАО «Казаньоргсинтез» / А.Г. Лаптев, В.Н. Кудряшов, М.С. Габутдинов и др. // Сб. трудов Юбилейной науч.-практ. конф. посвященной 40-летию ОАО «Казаньоргсинтез». Казань, 2003. С. 254-259.
7. Лаптев А.Г. Высокоэффективные насадочные элементы для аппаратов разделения / А.Г. Лаптев,
B.Н. Кудряшов, М.С. Габутдинов // Сб. трудов Юбилейной науч.-практ. конф. посвященной 40-летию ОАО «Казаньоргсинтез». Казань, 2003. С. 272-304.
8. Лаптев А.Г. Повышение эффективности ректификационных колонн получения фенола и ацетона / А.Г. Лаптев, Н.Г. Минеев, М.И. Фарахов // «Тепломассобменные процессы и аппараты химической технологии»: сб. науч. тр. Казань, КГТУ, 2005. С. 9-15.
9. Соколов Р.С. Химическая технология / Р.С. Соколов. М.: Владос, 2000. Т. 2.
10. Лаптев А. Г. Повышение эффективности и энергосбережение при очистке абгазов от кумола в производстве фенола / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, М.М. Башаров // Тр. Академэнерго КНЦ РАН. 2008. № 3. С. 36-39.
Зарегистрирована 14.09.2010 г.
